DE3009048C2

DE3009048C2 - Piezoelectric multilayer transducer for ultrasound

Info

Publication number: DE3009048C2
Application number: DE19803009048
Authority: DE
Inventors: Heinrich Prof.-Dr. Kuttruff; Koengmo Dipl.-Ing. 5100 Aachen Sung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-08
Filing date: 1980-03-08
Publication date: 1983-04-21
Also published as: DE3009048A1

Description

Länge 5:Length 5:

Länge 7:Length 7:

Länge 11:Length 11:

Länge 13:Length 13:

+ + Η h+ + Η h

+ + Η 1 1 + + Η 1 1

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mehrschichtwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piezoelectric multilayer transducer according to the preamble of claim 1.

Bei Ultraschallanwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik ist eine große Frequenzbandbreite der verwendeten Schallsender (Prüfköpfe) von großer Bedeutung. Sie ist nämlich Voraussetzung für ein möglichst gutes Ortsauflösungsvermögen, für die Anwendung der zunehmend wichtiger werdenden Ultraschallspektroskopie sowie für die Erzeugung von Signalformen, die sich für eine Impulskompression durch Korrelationsempfang eignen.For ultrasound applications in non-destructive material testing or in medical diagnostics a large frequency bandwidth of the sound transmitters (probes) used is of great importance. she is namely a prerequisite for the best possible spatial resolution, for the application of the increasingly Ultrasound spectroscopy, which is becoming more important, as well as for the generation of signal forms that are suitable for a Pulse compression through correlation reception is suitable.

Die heute üblichen Ultraschall-Sendewandler bestehen im wesentlichen zumeist aus einer Scheibe piezoelektrischen Materials, die- auf der Rückseite möglichst reflexionsfrei abgeschlossen ist. Vorder- und Rückseite der Scheibe wirken als gegenphasige Schallquellen und führen im Schallfeld zu Interferenzen, die auf Grund ihrer Frequenzabhängigkeit die nutzbare Bandbreite einengen. Die Frequenzbandbreite dieser Wandler kann grundsätzlich durch Verminderung der Scheibendicke erhöht werden, was allerdings mit einer entsprechenden Reduktion der Signalenergie erkauft werden muß.The ultrasonic transmitter transducers commonly used today essentially consist of a disk piezoelectric material, which is closed on the back as reflection-free as possible. Front and The rear side of the pane act as antiphase sound sources and lead to interference in the sound field, which narrow the usable bandwidth due to their frequency dependence. The frequency bandwidth of this The converter can basically be increased by reducing the thickness of the pane, but this is done with a corresponding reduction of the signal energy must be bought.

Demgegenüber wird bei einem Wandler der eingangs genannten Art durch die vorliegende Erfindung eine Erhöhung der Frequenzbandbreite bei gleichbleibender Gesamtdicke des Piezowandlers dadurch erreicht, daß die einzelnen piezoelektrischen Schichten nach Maßgabe eines Barker-Codes gegenphasig arbeiten. Wesentlich im Sinne dieser Erfindung ist dabei, daß die Barker-Codes durch kleine Werte ihrer Autokorrelationsfunktion außerhalb von deren zentralem Maximum gekennzeichnet sind. Die erfindungsgemäße Wirkung tritt umso deutlicher auf aus je mehr Elementen der durch die Schichtenfolge des Wandlers realisierte Binärcode besteht. Durch diese Maßgaben unterscheidet sich der hier beschriebene Mehrschichtwandler grundlegend von dem seit langem bekannten »bimorphen Piezowandler«, der aus nur zwei piezoelektrischen, gegenphasig betriebenen Schichten besteht und für ganz andere Zwecke entwickelt wurde.In contrast, in a converter of the type mentioned above, the present invention provides a Increasing the frequency bandwidth with the total thickness of the piezo transducer remaining the same is achieved in that the individual piezoelectric layers work in antiphase according to a Barker code. Essential In the context of this invention, the Barker codes are characterized by small values of their autocorrelation function outside of their central maximum are marked. The effect according to the invention occurs all the more clearly from the more elements that realized by the layer sequence of the transducer Binary code exists. The multilayer transducer described here differs due to these stipulations fundamentally from the long known "bimorph piezo transducer", which consists of only two piezoelectric, layers operated in phase opposition and was developed for completely different purposes.

Unter den Barker-Codes versteht man ganz bestimmte Binär- oder Vorzeichenfolgen, etwa die nachstehend Einen Mehrschichtwandler aus fünf Binärelementen nach Art eines Barker-Codes kann man demnach aus fünf gleich dicken piezoelektrischen Scheiben aufbauen, von denen die vierte gegenphasig zu den übrigen arbeitet Man kann ihn aber auch aus nur drei Scheiben aufbauen, von denen die erste dreimal so dick ist wie die anderen und die mittlere Scheibe gegenphasig zu den beiden äußeren Scheiben arbeitet.Barker codes are very specific binary or sign sequences, such as those below A multilayer converter made up of five binary elements in the manner of a Barker code can therefore be made from Build five piezoelectric disks of the same thickness, the fourth of which is out of phase with the others works You can also build it up from just three panes, the first of which is three times as thick as that the other and the middle disk works in phase opposition to the two outer disks.

Allgemein werden durch die Regellosigkeit des gewählten Vorzeichenmusters die bandbreitenbegrenzenden Interferenzen im Schallfeld zwar nicht vollständig vermieden, ihre Auswirkungen aber doch sehr weitgehend unterdrücktIn general, the randomness of the selected sign pattern means that the bandwidth limiting Interferences in the sound field are not completely avoided, but their effects are very much largely suppressed

Die Gegenphasigkeit kann durch Verpolen der den einzelnen Schichten über aufgebrachte Elektroden zugeführten Betriebsspannungen bewirkt werden oder einfacher durch unterschiedliche Orientierung (bei kristallinen Stoffen) bzw. unterschiedliche Polarisation (bei keramischen oder hochpolymeren Piezomaterialien). In den beiden letzteren Fällen brauchen nur die äußersten Schichtoberflächen mit Elektroden versehen zu sein, da die erforderlichen Betriebsspannungen an den Innenschichten durch kapazitive Spannungsteilung automatisch entstehen.The antiphase can be achieved by reversing the polarity of the individual layers via electrodes applied supplied operating voltages or more simply by different orientation (with crystalline substances) or different polarization (with ceramic or high-polymer piezo materials). In the latter two cases, only the outermost layer surfaces need to be provided with electrodes to be, because the required operating voltages on the inner layers by capacitive voltage division arise automatically.

F i g. 1 a zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines solchen Mehrschichtwandlers für den Barker-Code der Länge 13. Er besteht demgemäß aus 13 unterschiedlich orientierten bzw. polarisierten Piezoschichten der Dicke d Die Polarisationsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Legt man an seine Endelektroden eine sprungartig ansteigende elektrische Spannung U, so entsteht in ihm momentan die in F i g. Ib dargestellte örtliche Verteilung der elastischen Spannung σ. Ein ihr entsprechendes Schallsignal wird anschließend in ein an einer Seite des Wandlers angekoppeltes Medium abgestrahlt, sofern der Wandler auf der anderen Seite reflexionsfrei abgeschlossen ist. Dieses Signal ist eine Barker-codierte Folge von Rechteckimpulsen. — In entsprechender Weise können auch andere pseudostochastische Binärsignale erzeugt werden.F i g. 1 a shows schematically the basic structure of such a multilayer transducer for the Barker code of length 13. It accordingly consists of 13 differently oriented or polarized piezo layers of thickness d. The directions of polarization are indicated by arrows. If an electrical voltage U, which rises suddenly, is applied to its end electrodes, then the voltage shown in FIG. Ib local distribution of the elastic stress σ shown. A sound signal corresponding to it is then emitted into a medium coupled to one side of the transducer, provided that the transducer is closed without reflection on the other side. This signal is a Barker-coded sequence of square-wave pulses. Other pseudostochastic binary signals can also be generated in a corresponding manner.

In Fig.2 ist die für das Nahfeld eines Mehrschichtwandlers nach F i g. 1 berechnete Übertragungsfunktion logarithmisch dargestellt, c bezeichnet die Schallgeschwindigkeit des Wandlermaterials.In FIG. 2 the for the near field of a multilayer transducer according to FIG. 1, the calculated transfer function is shown logarithmically, c denotes the speed of sound of the transducer material.

Die Herstellung eines solchen Wandlers kann am einfachsten durch Zusammenfügen entsprechend vieler piezoelektrischer Scheiben gleicher Dicke d mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels erfolgen. Hierfür kommen z. B. Flüssigkeitsfilme, Klebstoffe oder auch niedrigschmelzende oder duktile Metalle in Betracht.The easiest way to manufacture such a transducer is to assemble a corresponding number of piezoelectric disks of the same thickness d with the aid of a suitable binding agent. For this come z. B. liquid films, adhesives or low-melting or ductile metals into consideration.

Wie schon oben an Hand eines Beispiels erläutert, kann man die Zahl der Scheiben und damit auch der Koppelschichten dadurch verringern, daß man benachbarte Scheiben gleicher Polarität zu je einer einzigen Scheibe entsprechend größerer Dicke zusammenfaßt. Auch die Einfügung passiver Schichten ändert nichts an dem beschriebenen Wirkungsprinzip.As already explained above with the help of an example, you can determine the number of disks and thus also the Reduce coupling layers by making adjacent disks of the same polarity each one Disc summarizes according to greater thickness. The insertion of passive layers does not change anything either the described principle of action.

Benutzt man einen Mehrschichtwandler der hier beschriebenen Bauart als Schallempfänger, so hat er wegen der Reversibilität des piezoelektrischen Wand-If a multilayer transducer of the type described here is used as a sound receiver, it has because of the reversibility of the piezoelectric wall

lerprinzips die gleichen Übertragungseigenschaften wie beim Sendebetrieb.learning principle has the same transmission properties as when transmitting.

Der beschriebene Mehrschichtwandler hat nicht nur den Vorzug großer Frequenzbandbreite, er erzeugt als Signal zudem die durch seinen Aufbau vorgegebene Impulsfolge, nämlich eine Barker-codierte Folge von Rechteckimpulsen, wie in Fig. la erläutert Solche Signale können zur Impulskompression benutzt werden. Leitet man nämlich das mit einem solchen Mehrschichtwandler erzeugte Signal nach Durchlaufung einer Meßstrecke einem »matched filter« zu, das dem gesendeten Signal angepaßt ist, so wird es in die Autokorrelationsfunktion des Signals zusammengerafft, die sich bei pseudostochastischen Signalen bekanntlich durch ein hohes Maß an zeitlicher Bestimmtheit auszeichnet Als »matched filter« kann ein entsprechend dem Sender aufgebauter Mehrschicht-Empfangswand-.'er verwendet werden.The multilayer converter described not only has the advantage of a large frequency bandwidth, it generates as Signal also the pulse sequence predetermined by its structure, namely a Barker-coded sequence of Square pulses, as explained in Fig. La. Such signals can be used for pulse compression. If one conducts the signal generated with such a multilayer transducer after passing through a Test section to a matched filter, which is adapted to the transmitted signal, so it is included in the Autocorrelation function of the signal, which is known to arise in the case of pseudostochastic signals characterized by a high degree of temporal certainty. As a matched filter, a The multi-layer receiving wall built on the transmitter -. 'he be used.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Piezoelectric multilayer transducer for ultrasound, which has more than two parallel layers contains piezoelectric material in mutual mechanical contact, characterized in that that the individual piezoelectric layers work in phase opposition in accordance with a Barker code.

2. Piezoelectric multilayer transducer according to claim 1, characterized in that the individual piezoelectric layers are of the same thickness and have the same spacing from one another.

3. Piezoelectric multilayer transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the Thicknesses and polarities of the individual piezoelectric layers are chosen so that the resulting polarity distribution corresponds to a Barker code

listed: